为什么应该阻止静电放电?

作者: Timothy Puls

微电子电路面临的风险比以往任何时候都大，罪魁祸首是静电放电(ESD)。这些祸害是隐秘的杀手，特别容易攻击敏感的IC。单次静电放电事件就可以将PCB送入地狱。抗静电放电设计只要错失一步就可能意味着延误上市时间、影响开发进度，以及激怒客户。在某些高压力情况下，甚至意味着你的饭碗不保。

在尺寸不断缩小的微电子时代，如果ESD瞬变未加抑制地在PCB走线上出现之前你不去主动地阻止它们，那么ESD事件很可能毁了你的产品。

在写这篇文章时，我刚好想起几个月前发生的一件相当有趣的事。一位快要发疯了的客户联系我们寻求紧急帮助，希望能够保护他的系统免遭“愤怒的”ESD瞬变伤害。这个可怜的家伙遭受了一系列抗ESD故障的打击，并使得他的产品规划全泡了汤。他肯定错漏了一些步骤。

首先，他没有在任何I/O接口处实现保护钳位电路，也没有为TVS钳位器件放置PCB焊盘作为他需要保护的“安全阀”措施。使挑战更加复杂的是，这种特殊产品上的I/O端口被连接到了一些高速和非常敏感的通信IC。并没有发生多少ESD就使得这些电路板发生了通信故障。图1显示了在数据线上使用钳位二极管的例子。


图1：TVS二极管可以在数据线上提供ESD保护。这个例子展示了带ESD保护功能的USB 2.0数据线。

当第一块板没有通过ESD一致性测试时，还会推出版本1和版本2。这次不再是“瞎猜了”。客户显然找到了一个ESD额定电压为±15kV的瞬态电压抑制(TVS)钳位管。他在电路板的一些I/O端口上布放了一些TVS，然后相当高兴地认为这个器件可以保证他的系统可以抗±15kV的ESD冲击。虽然这步走的方向是正确的，但他仍然从根本上误解了ESD威胁。第二版电路仍然没有通过±15kV电压的测试，虽然这时他发现用TVS带来了一定程度的改进。图2展示了TVS二极管如何“钳位”来自ESD脉冲的电压。


图2：钳位二极管可以减小来自ESL脉冲的电压，因而能有效防止你的电路受到损坏。
Transient Environment: 瞬态环境
Transient voltage: 瞬态电压
Transient current: 瞬态电流
Clamped voltage: 钳位电压
TVS Diode: TVS二极管
Data Line Transceiver IC: 数据线收发器IC

由于遭受了两次电击，这位工程师带着惊恐的心情求助于我们。随着我们对问题的深入分析，我真切感受到这位工程师的焦虑和恐惧。事实上，我有深切的感受，在这位工程师的PCB走线上乱串的ESD瞬态信号不仅会危害到电路板上的通信器件，而且毫不夸张地说可能威胁到他的工作。他早就需要一个解决方案了。由于时间不等人，而且这个已经推迟的设计另一端还有一位就要失去耐心的客户，我们接管了这个问题。他把电路板送到了我们的Semtech实验室，明确希望我们保护这个产品免受ESD的伤害，继而也保护他的信誉和工作。

然而，我们首先需要澄清的误解是，TVS钳位器件数据手册上的±15kV额定值与他在PCB上想要达到的系统级保护阈值基本上没有关系。那个额定值涉及的是TVS器件本身的故障阈值，但并不等同于系统要保证的抗干扰度。正如事实摆明的那样，他的系统电路太敏感了，在满足针对TVS器件的电容约束和尺寸要求条件下，很难达到±15kV的系统级抗干扰性能。

此外我要解释的是，并不是所有TVS器件生来都是一样的。不同制造商生产的两种TVS钳位器件的钳位性能可能有很大的差别。如果产品开发周期非常吃紧的话，选择便宜、山寨的TVS器件不是一个好的策略。因此，我们用一些更新的高性能低侧钳位器件对他的电路板进行了改造——这些器件可以抑制很高的峰值电流。这样，这块电路板的抗干扰性能有了显著的改进，如下图所示。


图3：增加瞬态电压抑制可以显著降低钳位电压，保护敏感的IC。
Voltage: 电压

TVS Clamping Response (+8kV Contact Discharge): TVS钳位响应(+8kV接触放电)
+8kV Contact voltage waveform: +8kV接触电压波形
No external TVS protection implemented: 没有使用外部TVS保护
Clamped ESD voltage(+8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用Semtech RClamp0531TQ TVS的钳位ESD电压(+8kV接触电压)
Time: 时间

他的系统现在可以轻松通过±8kV测试了(大多数情况下±8kV足够了)。电路板仍然没能通过±15kV接触放电测试(扩展目标)，但比以前的结果要好多了。在此基础上，为了进一步提高系统的健壮性，我们在线路上增加了一个小的串联电阻，它足以压制残余的瞬态电流，但还不足以影响信号性能。

虽然增加电阻并不是最理想的方案，但它确实提高了抗ESD性能，在这样一个设计后期阶段，它提供了实现起来相对容易的修复手段。最终结果表明一切安好：稳健的产品，愉悦的最终用户，高兴的老板，以及更加深入理解ESD保护知识的工程师。正如他们说的那样，“增加电阻起到了四两拨千斤的效果。”我猜想在他的下一个设计中，我们的朋友会更加主动地去避免最后时刻才会发现的任何ESD失误。

关于作者:

Timothy Puls是Semtech公司的产品营销工程师。